Obliczenia hydrostatyczne stanowią nieodzowny etap w projektowaniu oraz budowie łodzi i jachtów. Zapewniają one nie tylko właściwą stabilność i bezpieczeństwo jednostek pływających, ale także wpływają na ich wydajność i osiągi podczas żeglugi. W niniejszym artykule omówimy podstawowe zasady, metody oraz narzędzia używane w obliczeniach hydrostatycznych, z uwzględnieniem ich znaczenia dla projektowania jednostek pływających.

Dlaczego obliczenia hydrostatyczne są ważne?

Obliczenia hydrostatyczne są ważne, ponieważ mają określić czy dana jednostka utrzyma się na wodzie w pozycji bezpiecznej i czy w razie przechyłu łatwo wróci do pozycji wyprostowanej. W obliczeniach otrzymamy szczegółowe informacje na temat wodnicy (gdzie się znajduje), wyporności (ile kg jest w stanie wyprzeć), oraz stabilności żeglugi (moment prostujący, czyli jakie wartości sił prostujących działają przy jakim kącie przechyłu). Obliczenia hydrostatyczne są niezbędne przy projektowaniu łodzi oraz jachtów, aby jednostka stabilnie żeglowała i bezpiecznie wracała do pozycji wyprostowanej.

Jakie są podstawowe etapy obliczeń hydrostatycznych?

1) Określenie głównych wymiarów jednostki pływającej,

2) Stworzenie modelu geometrycznego, modelu numerycznego kadłuba,

3) Określenie warunków projektowych: Wyznaczenie zanurzenia, wyporności, środka ciężkości,

4) Wykonanie obliczeń hydrostatycznych

5) Wyniki obliczeń hydrostatycznych:

– krzywa ramion prostujących,

– środek wyporu,

– przechyły,

– współczynniki geometrii kadłuba.

Obliczenia można wykonywać dla różnych warunków obciążenia zmieniając zanurzenie, wyporność, przechył, trym łodzi itd.

Przepisy w tym norma zharmonizowana 12217 określa dla jakich warunków obciążenia należy takie obliczenia wykonać.

Na podstawie jakich norm wykonuje się obliczenia hydrostatyczne jachtów w Unii Europejskiej?

Wszystkie jednostki pływające wprowadzone do obiegu handlowego w Unii Europejskiej muszą przestrzegać postanowień dyrektywy 2013/53/UE (ex 94/25/WE) w sprawie rekreacyjnych jednostek pływających (RCD).

W odniesieniu do stateczności, pływalności i wyporności jednostki pływające powinny spełniać wymagania następujących norm zharmonizowanych z wyżej wymienioną dyrektywą:

PN-EN ISO 12217-1:2017-12 Małe statki – Ocena stateczności i pływalności oraz podział na kategorie – Część 1: Jednostki nieżaglowe o długości kadłuba większej lub równej 6 m

PN-EN ISO 12217-2:2017-12 Małe statki – Ocena stateczności pływalności oraz podział na kategorie – Część 2: Jednostki żaglowe o długości kadłuba większej lub równej 6 m

PN-EN ISO 12217-3:2017-11 Małe statki – Ocena stateczności i pływalności oraz podział na kategorie – Część 3: Łodzie o długości kadłuba mniejszej niż 6 m

 

Jakie parametry są brane pod uwagę przy przeprowadzeniu obliczeń hydrostatycznych dla łodzi?

Parametry do obliczeń hydrostatycznych:

– L_max– długość maksymalna,

– L_wl– długość na wodnicy pływania,

– B_max – szerokość maksymalna,

– B_wl – szerokość na wodnicy pływania,

– V_D– wyporność,

– D_max– wysokość boczna, pionowa odległość mierzona od górnej krawędzi stępki do dolnej powierzchni pokładu górnego przy burcie.

– F – wolna burta,

– T- zanurzenie konstrukcyjne, odległość mierzona pionowo w połowie długości łodzi od płaszczyzny konstrukcyjnej linii wodnej do poszycia dna,

– v- prędkość,

Oznaczenia te są zgodne z normą ISO 8666.

 

Jak obliczyć wyporność łodzi i dlaczego jest to kluczowy parametr w projektowaniu?

Do obliczenia wyporności potrzebujemy takich wartości jak:

– objętość bryły wypartej przez jednostkę pływającą,

– gęstość cieczy,

Po przemnożeniu objętości przez gęstość otrzymujemy ciężar cieczy, czyli siłę wyporu. Takie obliczenia wykonuje się najczęściej komputerowo w programach takich jak Orca 3D lub Maxsurf co daje bardzo dokładne wyniki oraz informację o położeniu wodnicy pływania przy danej wyporności i położenie środka wyporu.

Wyporność odpowiada za utrzymanie jednostki na wodzie, musi być dobrana odpowiednio pod wagę jednostki. Przy za małej wyporności jednostka będzie stawiała dużo większe opory. Będzie poruszała się „nieoptymalnie”.

Co za tym idzie będzie spalała dużo więcej paliwa niż jednostka zaprojektowana odpowiednio. Przy zbyt dużej wyporności jednostka traci stabilność, jest dużo większa szansa na wywrócenie jachtu przy dużej prędkości. W mniej ekstremalnych warunkach, i przy jachtach wolniejszych będzie się to odwzorowywało dużymi przechyłami jachtu.

 

Jakie są różnice między obliczeniami hydrostatycznymi dla jednostek pływających o różnej konstrukcji, takimi jak łodzie żaglowe, jednokadłubowe czy katamaranów?

Obliczenia w obu przypadkach przygotowuje się podobnie. Największą różnicą będzie parametr ramienia prostującego jachtu przy przechyle. Wykresy wartości sił ramienia znacząco różnią się od siebie. Przy katamaranie wykres sił będzie znacząco rósł do max 45 stopni, po tym kącie przechyłu wartości będą tak samo szybko spadać. W przypadku jachtów jednokadłubowych można osiągnąć dużo większe wartości prostujące, nawet niektóre jednostki oceaniczne nie posiadają ujemnych wartości ramienia prostującego.

 

Jakie są metody pomiaru i oceny stabilności łodzi przy użyciu obliczeń hydrostatycznych?

Metody pomiaru:

• Metoda Archimedesa – która mówi „ciężar jachtu zanurzonego w cieczy jest równy ciężarowi cieczy wypartej przez jacht”. Pomiar wyporności pozwala na określenie sił wyporu i umożliwia obliczenie środka ciężkości jachtu.
• Kształtu kadłuba – uzyskiwanie stabilności za pomocą kształtu. Jest to zabieg, w którym za pomocą kształtu możemy uzyskać większą wyporność w wybranym przez nas miejscu.
• Metoda przechyłu – polega na kontrolowanym przechylaniu jednostki, i określaniu przy tym sił ramienia prostującego i środka ciężkości.

Programy komputerowe do obliczeń hydrostatycznych – oprogramowanie takie jak Maxsurf lub Orca3D pozwalają na zrobienie kompleksowych obliczeń hydrostatycznych. Oprogramowanie pozwala na kompleksową optymalizację jachtu.

Obliczenia i testy wykonywane są wg normy ISO 12217.

 

Jakie czynniki działają na dokładność obliczeń hydrostatycznych dla łodzi i jachtów?

• Dokładność modelu – model kadłuba musi być dokładnie odwzorowany przy produkcji jachtu, im mniejsza dokładność w geometrii tym większe różnice w dokładności obliczeń.
• Dokładne pomiary i dane wyjściowe – główne wymiary konstrukcyjne powinny zostać precyzyjnie zmierzone. Nawet małe błędy wpływają na dokładność wyników.
• Różne warunki – jacht powinien być testowany w różnych warunkach i obciążeniu, aby mieć pełne zobrazowanie zachowania jachtu.
• Znajomość warunków granicznych – dokładność obliczeń jest zależna od dobranych warunków granicznych jak położenie środka ciężkości, położenie środka wyporu itp.
• Wyniki eksperymentalne – po porównaniu wyników hydrostatycznych obliczonych w oprogramowaniu z wynikami testowanego jachtu w basenie wodnym będzie różniła się od siebie.
• Oprogramowanie – w każdym oprogramowaniu obliczenia różnią się od siebie, wyniki często są bardzo zbliżone do siebie, ale końcowy rzadko wychodzi taki sam. Dlatego ważne jest używanie najnowszego oprogramowania na rynku, co pozwoli na uzyskanie wyniku zbliżonego do rzeczywistego.

Jakie są konsekwencje niewłaściwych obliczeń hydrostatycznych dla projektowania i bezpieczeństwa jednostek pływających?

• Mała stabilność jednostki – błędy w obliczeniach mogą spowodować zmniejszenie ramienia prostującego, co spowoduje większe przechyły jednostki i grozić przewrotką.
• Błędne położenie środka ciężkości – może wpłynąć na dokładność obliczeń hydrostatycznych, momentu ramienia prostującego co wpłynie na stateczność jednostki.
• Problemy z nośnością – przy niewłaściwym obliczeniach hydrostatycznych może dojść do niedoszacowania nośności jednostki, jacht nie będzie mógł udźwignąć odpowiedniego obciążenia.
• Problemy z żeglugą – niewłaściwe obliczenia narażają jacht na większe opory, wraz z oporami wzrastają też naprężenia konstrukcyjne co może grozić uszkodzeniem jednostki.
• Bezpieczeństwo – przy niewłaściwych obliczeniach rośnie ryzyko bezpieczeństwa jachtu jak i samej załogi. Niewłaściwa stabilność jachtu może prowadzić do wypadków.
• Przepisy – Niewłaściwe obliczenia hydrostatyczne mogą prowadzić do braku zgodności z przepisami bezpieczeństwa morskiego lub śródlądowego. Jednostki pływające muszą spełniać pewne normy i wymogi, a ich projekt musi być zgodny z międzynarodowymi standardami.

 

Jakie narzędzia i oprogramowanie są używane do przeprowadzenia obliczeń hydrostatycznych dla łodzi i jachtów, i jakie są ich zalety i ograniczenia?

Do przeprowadzenia obliczeń hydrostatycznych używane jest specjalistyczne oprogramowania, które pomaga testować jacht w różnych warunkach i przy różnym obciążeniu. Przykładowe sprawdzone, specjalistyczne oprogramowanie do obliczeń hydrostatycznych to:

1. Maxsurf – jeden z popularniejszych programów do projektowania jachtów, program zapewnia kompleksowe narzędzia do projektowania i analizy hydrostatycznej jednostek pływających. Oferuje różne moduły jak Modeler, Stability, Resistance, które obsługują różne aspekty projektowania. Ograniczeniem są wysokie koszty licencji oraz poziom skomplikowania, któremu sprostać potrafią doświadczone osoby.
2. Orca3D – nakładka (plug-in) do programu Rhinoceros, który jest narzędziem do modelowania 3D. Orca3D posiada dobre narzędzie do hydrostatyki i analizy oporu. Ograniczeniem programu jest nieposiadanie dedykowanych obliczeń hydrostatycznych, trzeba posiadać dodatkowe wtyczki.

 

Kto może wykonywać obliczenia hydrostatyczne?

W Polsce brak jest przepisów, które określają uprawnienia osób wykonujących obliczenia hydrostatyczne. Teoretycznie brak jest prawnych wymagań, jednak w praktyce powinno się zgłosić do osoby bądź firmy specjalizującej się w obliczeniach, która jest w stanie przeprowadzić proces oraz ocenić wyniki, gdyż w procesie uzyskania certyfikacji CE, obliczenia muszą zostać zatwierdzone przez jednostkę notyfikowaną.

Dodatkowo bardzo ważny jest dostęp do specjalistycznych programów tj. Orca 3D czy Maxsurf, które zagwarantują wysoką dokładność.

Firma Intuition Yachts zapewnia zespół wykształconych inżynierów oceanotechniki z wieloletnim doświadczeniem w projektowaniu jednostek morskich. Pracujemy na specjalistycznych programach Orca 3D oraz Maxsurf wspomagających projektowanie. Działamy na podstawie norm ISO 12217, co jest niezbędne, aby projektowana jednostka mogła dostać certyfikat CE oraz być wprowadzona do obrotu w Unii Europejskiej.

Serdecznie zapraszamy do kontaktu!

 

Autorzy

Cyprian Błaszczyk
Marta Zawadzka